Als technischer Metallwerkstoff, der in den letzten Jahren einen rasanten Aufschwung erlebt hat, wird Aluminiumlegierung aufgrund ihrer geringen Dichte, hohen spezifischen Festigkeit und spezifischen Steifigkeit sowie guten Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt, Automobilen, Schiffen und anderen Bereichen eingesetzt. .
Eine Reihe von Problemen wie schlechte Schweißbarkeit und schlechte Leistung der Formschicht beim Schweißen schränken jedoch die Entwicklung von Strukturteilen aus Aluminiumlegierungen ein. Daher ist die Schweißtechnologie für Aluminiumlegierungen zu einer der Hauptforschungsrichtungen vieler Wissenschaftler im In- und Ausland geworden.
Leistungsübersicht von Aluminiumlegierungen
Aluminium ist ein sehr leichtes Metallmaterial mit einer Dichte von nur 2,7 g/cm3, was etwa 36 Prozent der Dichte von Stahl entspricht. Aluminiumlegierungen werden zur Herstellung mechanischer Teile verwendet, wodurch das Gewicht erheblich reduziert und die Auswirkungen von geringem Gewicht, Energieeinsparung und Emissionsreduzierung erzielt werden können.
Die spezifische Festigkeit und spezifische Steifigkeit einer Aluminiumlegierung sind höher als die von 45-Stahl und ABS-Kunststoff. Die Verwendung von Aluminiumlegierungsmaterialien begünstigt die Herstellung von Integralbauteilen mit hohen Steifigkeitsanforderungen.
Aluminiumlegierungen weisen eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Die Leistungsparameter der A380-Aluminiumlegierung und anderer Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Aluminiumlegierungen sind gut bearbeitbar und recycelbar. Wenn davon ausgegangen wird, dass der Schnittwiderstandskoeffizient der am leichtesten zu schneidenden Magnesiumlegierung 1 beträgt, ist der Schnittwiderstand anderer Metalle in Tabelle 2 aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass der Schnittwiderstand von Aluminiumlegierungen geringer ist als der von Kupfer und Eisen und andere Materialien, und der Schneidvorgang ist relativ einfach.
Schweißeigenschaften von Aluminiumlegierungen
Abhängig von den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen gibt es gewisse Schwierigkeiten beim Schweißprozess. Das derzeitige Schweißen von Aluminiumlegierungen weist hauptsächlich die folgenden Probleme auf: thermische Belastung, Ablationsverdampfung, feste Einschlüsse, Porenkollaps usw.:
Thermische Belastung
Aluminiumlegierungen haben einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen kleineren Elastizitätsmodul. Während des Schweißprozesses beträgt die Volumenschrumpfungsrate während der Erstarrung aufgrund der großen Verformung und des großen linearen Ausdehnungskoeffizienten der Aluminiumlegierung etwa 6 Prozent, und die Abkühlrate und die primäre Kristallisationsrate des Schmelzbades sind schnell, was dazu führt Eigenspannung der Schweißnaht und die Steifigkeit der Schweißverbindung. Bei einer größeren Größe kann es leicht zu größeren inneren Spannungen in der Aluminiumlegierungsverbindung kommen, was zu größeren Schweißspannungen und Verformungen führt und zu Defekten wie Rissen und Wellenverformungen führt.
Ablationsverdunstung
Aluminium hat einen Schmelzpunkt von 660 Grad und einen Siedepunkt von 2647 Grad, der niedriger ist als der anderer Metallelemente wie Kupfer und Eisen. Wenn während des Schweißvorgangs die Schweißtemperatur zu hoch ist, kann es leicht zu Explosionen und zur Bildung von Spritzern kommen, insbesondere beim Hochenergiestrahlschweißen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Darüber hinaus werden der Aluminiumlegierung einige Legierungselemente hinzugefügt haben einen niedrigen Siedepunkt, der bei der augenblicklich hohen Schweißtemperatur sehr leicht verdampft und verbrennt, und die durch die Explosion erzeugten Spritzer entfernen auch einen Teil der Flüssigkeitströpfchen, was unweigerlich den Schweißbereich verändert. Die chemische Zusammensetzung ist für die Leistungsregulierung der Schweißverbindung nicht förderlich. Um die Hochtemperaturablation zu kompensieren, werden daher beim Schweißen häufig Schweißdraht oder andere Schweißmaterialien mit einem höheren Siedepunktelementgehalt als das Grundmetall verwendet.
solide Inklusion
Die chemischen Eigenschaften von Aluminium sind sehr aktiv und es oxidiert leicht. Während des Schweißvorgangs wird die Oberfläche der Aluminiumlegierung oxidiert und bildet Al2O3 mit einem hohen Schmelzpunkt (ca. 2050 °C, während der Schmelzpunkt von Aluminium bei 660 °C liegt, was sehr unterschiedlich ist). Die Oxide sind dicht und haben eine hohe Härte und werden in der geschmolzenen Legierungsflüssigkeit mit geringer Dichte im Schmelzbadbereich gemischt, wodurch sich leicht feine feste Schlacke bildet und schwer zu entladen ist, was nicht nur die Struktur der Schweißnaht beeinträchtigt, Es entsteht aber auch leicht elektrochemische Korrosion, die dazu führt, dass die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen abnehmen und Al2O3 das Schmelzbad und die Rille bedeckt, was das Schweißen von Legierungen ernsthaft beeinträchtigt und die Mikrostruktur und Eigenschaften von Schweißverbindungen verringert.
Stomataler Kollaps
Der Schmelzpunkt einer Aluminiumlegierung ist viel niedriger als der ihres Oxids und ihre Natur ist lebhaft und leicht zu oxidieren. Während des Schweißvorgangs bildet die Aluminiumlegierung aufgrund der hohen Schmelztemperatur ein Schmelzbad. Das Aluminium auf der Oberfläche des Schmelzbades wird oxidiert und bildet einen Oxidfilm, der das Schmelzbad in festem Zustand bedeckt. Da sich die Farbe des Oxidfilms nach dem Schmelzen nicht wesentlich von der der geschmolzenen Aluminiumlegierung unterscheidet und die Oxidschicht bedeckt ist, ist es schwierig, den Schmelzgrad des Schmelzbades der Aluminiumlegierung während des Schweißvorgangs zu beobachten Daher kann es leicht zu einer zu hohen Temperatur kommen, was zu einem Einfluss der Schweißwärme führt. Der Großteil des Bereichs kollabiert und zerstört die Form und Eigenschaften des Schweißguts.
Unter der Wirkung der augenblicklichen hohen Leistung der Schweißwärmequelle wird eine große Menge Wasserstoffgas in der Legierungsflüssigkeit gelöst. Nach Abschluss des Schweißens nimmt mit sinkender Temperatur des Schmelzbades auch die Löslichkeit des Gases allmählich ab, was zur Hauptursache für Poren im Schweißprozess wird. Grund. Da die Erstarrungsgeschwindigkeit der Aluminiumlegierung zu schnell und die Dichte gering ist, bilden sich bei der schnellen Erstarrung der Schweißnaht Wasserstoffporen unterschiedlicher Größe. Diese Poren sammeln sich während des Schweißvorgangs weiter an und dehnen sich aus, wodurch schließlich sichtbare große Poren entstehen und die strukturellen Eigenschaften der Verbindung beeinträchtigt werden. Natürlich entstehen die Poren nicht unbedingt beim Schweißvorgang. Aufgrund des Einflusses der Gießverfahrenstechnologie wird das Grundmetall selbst während des Gießvorgangs ebenfalls Poren erzeugen. Während des Schweißens verändern sich Wärmeeintrag und Innendruck ständig, wodurch sich die ursprünglichen Poren im Grundwerkstoff ausdehnen oder sich zu Schweißporen verbinden. Mit zunehmender Schweißwärmeeinbringung vergrößern sich auch die Poren. Daher muss das Schweißmaterial vor der Verwendung streng getrocknet werden, um die Wasserstoffquelle zu kontrollieren. Während des Schweißens wird der Strom entsprechend erhöht, um die Existenzzeit des Schmelzbades zu verlängern und genügend Zeit für die Ausfällung des Wasserstoffs zu geben, wodurch die Porenbildung kontrolliert wird.
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Abb.2 Bildung und Konvergenz der Spaltöffnungen
Klassifizierung der Schweißtechnologie für Aluminiumlegierungen
Mit der Erweiterung des Anwendungsbereichs von Aluminiumlegierungen werden immer mehr Probleme deutlich. Mit dem Fortschritt der Forschung wurde die Schweißtechnologie von Aluminiumlegierungen stark weiterentwickelt. Derzeit warten hauptsächlich Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen (WIG), Schmelzinertgasschweißen (MIG), Laserschweißen (LBW) und Reibrührschweißen (FSW).
Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen
Das Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) ist ein typisches Schutzgasschweißen und die am häufigsten verwendete Schweißmethode. Beim Schweißen werden die Wolframelektrode und die Schweißoberfläche als Elektroden verwendet, und zum Schutz des Lichtbogens wird Helium- oder Argongas als Schutzgas zwischen den beiden Elektroden geleitet, und der Draht und das Grundmetall werden durch augenblickliche Hochspannungsentladung geschmolzen. und die Aluminiumlegierungsteile werden geschweißt und geformt sowie Schweißen und Reparieren von Gussfehlern.
Es weist im Wesentlichen folgende technische Merkmale auf:
Einfach zu bedienen, flexibel und kontrollierbar, an verschiedene Arbeitsbedingungen und -umgebungen anpassbar und kostengünstig;
Die Wärmeeinflusszone ist schmal und die Verformung der Schweißverbindung ist bei ausreichender Drahtzufuhr gering und die Gesamtleistung der Verbindung ist hoch.
Die Leistung des Schweißprozesses ist gut und stabil und die Schweißnaht ist dicht und schön.
MIG-Schweißen
Sowohl MIG (GMA-Metalllichtbogenschweißen) als auch WIG sind Schutzgasschweißen. Der Unterschied besteht darin, dass beim WIG-Schweißen Wolframelektroden als feste Elektroden verwendet werden, während beim MIG-Schweißen das gefüllte Drahtmaterial selbst als Elektroden verwendet wird.
Beim Metall-Inertgas-Schutzgasschweißen von Aluminiumlegierungen wirken Spannung und Strom auf das Ende der Elektrode des Schweißdrahts, und zwischen der Elektrode und dem Grundmetall entsteht augenblicklich ein hoher Druck, der das Grundmetall und das Grundmetall schmilzt Rille, und der Tropfen am Ende des Drahtes fällt ab und geht vertikal zum Grundmetall über. Auf dem Schmelzbad des Materials bildet sich eine Schweißzone.
Der Anwendungsprozess des MIG-Schweißens von Aluminiumlegierungen ist jedoch relativ begrenzt, da die Weichheit des Aluminiumdrahts zu einer schlechten Drahtzuführbarkeit führt und das geschmolzene Aluminium beim Schweißen dazu neigt, das Phänomen des „Hängens, aber nicht Tropfens“ zu bilden, was leicht auftritt um Tropfen zum Spritzen zu bringen. Der Vorteil besteht darin, dass das MIG-Schweißen schneller ist als das WIG-Schweißen und der Schweißbewegungsbereich beim Schweißen großer Werkstücke klein ist. Durch die Anpassung der Drahtvorschubgeschwindigkeit kann die Schweißeffizienz mehrere Meter pro Minute erreichen.
Laserschweißen
Beim Laserstrahlschweißen (Laser Beam Welding LBW) werden hochenergetische Laserpulse eingesetzt, um das Material in einem kleinen Bereich lokal zu erhitzen. Die Energie der Laserstrahlung diffundiert durch Wärmeleitung in das Innere des Materials und das Material wird geschmolzen, um ein spezifisches Schmelzbad zu bilden. Nach der Erstarrung verbindet sich das Material zu einem Ganzen.
Der Vorteil des Laserschweißens besteht darin, dass der Schweißangriffspunkt klein ist, die Hochleistungswärmequelle konzentriert ist, dicke Platten geschweißt werden können, die Wärmeeinflusszone schmal ist und die Schweißverformung gering ist. Gleichzeitig stellt das Laserschweißen hohe Anforderungen an die Schweißpositionierung, teure Schweißgeräte und hohe Schweißkosten. Bei Metallmaterialien wie Aluminium und Magnesium ist das Laserreflexionsvermögen hoch und das direkte Schweißen ist schwierig.
Die Bestrahlung von Materialien mit Lasern unterschiedlicher Leistungsdichte zeigt, dass, wenn die Leistungsdichte am Werkstück mehr als 107 W/cm2 erreicht, das Metall in der Heizzone in sehr kurzer Zeit vergast und das Gas in einem kleinen Loch im Werkstück konvergiert Schmelzbad und bilden ein Das kleine Loch ist das Zentrum für die Wärmeübertragung, und in der Nähe des kleinen Lochs bildet sich ein Schmelzbad, was den „Schlüsselloch“-Effekt des Laser-Tiefschweißens darstellt. Um die durch dieses Phänomen verursachte Unebenheit des Schmelzbades zu vermeiden, ist es möglich, die Laserenergie zu reduzieren, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen oder das Umschmelzen des Nugget-Bereichs zu steuern, um die Blasen in der Schmelzzone zu entfernen und die Porenbildung zu reduzieren .
Reibrührschweißen
Das Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist eine neuartige Festphasenverbindungstechnologie, die auf der traditionellen Reibschweißtechnologie basiert. An der zu verschweißenden Grenzfläche steigt beim Vorrücken des Rührkopfes entlang der Schweißnaht die Temperatur des Schweißmaterials an, das plastifizierte Metall erfährt unter der Einwirkung von mechanischem Rühren und Stauchen eine starke plastische Verformung und bildet eine dichte Festphasenverbindung nach Diffusion und Rekristallisation.
Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren bietet die FSW-Technologie folgende Vorteile:
Niedrige Schweißtemperatur und geringe Schweißverformung;
Gute mechanische Eigenschaften der Schweißnaht;
Der Schweißvorgang ist einfach, wirtschaftlich und umweltfreundlich.
Die Hauptprobleme und Forschungsschwerpunkte
Mit der Anwendung von Aluminiumlegierungen in immer mehr Industrien hat das Problem ihrer Reparaturverbindung auch die Aufmerksamkeit immer mehr Wissenschaftler auf sich gezogen. Durch verschiedene Schweißtests an Aluminiumlegierungen wurde festgestellt, dass der Reifegrad der Reparaturtechnologie noch nicht den Entwicklungsbedürfnissen der Industrie entspricht und noch verschiedene Probleme darin bestehen.
Das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen und das Metall-Inertgas-Schutzgasschweißen sind derzeit die beiden am weitesten verbreiteten Schweißmethoden. Diese beiden Technologien weisen jedoch eine große Wärmeeinflusszone auf, und das Schweißgut muss geschmolzen und dann erstarrt werden, was Auswirkungen auf die Schweißung hat die Struktur. Größer und die Eigenspannung ist hoch, was zu schwerwiegenden Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Verbindung führt. Die Energiestrahldichte beim Laserschweißen ist hoch und das Verhältnis von Tiefe zu Breite der Schweißnaht ist groß, es bilden sich jedoch sehr leicht Poren, und die hohen Kosten schränken auch die Popularisierung von Anwendungen ein. Das Rührreibschweißen bietet eine Lösung für das Hitzeproblem, allerdings erfordert das Reibrührschweißen einen relativ hohen Stauchdruck und eine relativ große Vorwärtsantriebskraft, und die Ausrüstung ist im Allgemeinen kompliziert und sperrig, was ihre Entwicklung einschränkt.
Der Fokus zukünftiger Forschung zu verwandten Themen sollte auf folgenden Aspekten liegen:
Passen Sie ausgehend von der Grundlage des Schmelzschweißens die Schweißdrahtformel an, fügen Sie Seltenerdelemente hinzu oder wählen Sie eine geeignete Menge Schweißaktivator aus, um die Schweißverformung zu kontrollieren, Spannungen zu reduzieren und die Porenbildung zu reduzieren.
Aufgrund der Erweiterung des Umfangs und der Anwendung von Legierungen werden diese üblicherweise in Verbindung mit unterschiedlichen Materialien verwendet. Daher ist es notwendig, Überlappschweißexperimente zwischen unterschiedlichen Metallen durchzuführen, um qualitativ hochwertige Verbindungen zu erhalten.
Führen Sie Untersuchungen zur Schweißbarkeit von Verbundwärmequellen wie WIG-Laser-Hybridschweißen und Laser-Verbundreibrührschweißen durch, um die optimale Schweißleistung zu erzielen.
